《光电成像器》PPT课件.ppt

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1、光电探测器光电探测器光电成像器件光电成像器件微光夜瞄镜微光夜瞄镜 微光夜视眼镜微光夜视眼镜热像仪热像仪光电探测器：光电探测器：单元器件单元器件 “点源点源”探测，跟踪制导等探测，跟踪制导等AIM-9M红外制导导弹红外制导导弹点击图片播放光电成像器件：光电成像器件：阵列器件阵列器件 “面源面源”探测，目标识别探测，目标识别等等成像制导攻击目标成像制导攻击目标点击图片播放理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系第第0707章章 光电成像器件光电成像器件夜视仪夜视仪输出图像信号：输出图像信号：直视型光电成像器件直视型光电成像器件理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系第第0707章章 光

2、电成像器件光电成像器件输出视频信号：输出视频信号：摄像型光电成像器件摄像型光电成像器件摄像头摄像头理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系第第0707章章 光电成像器件光电成像器件光电成像器件是一类能够输出光电成像器件是一类能够输出图像信息图像信息（图像或视（图像或视频信号）的功能器件，也称频信号）的功能器件，也称光电图像传感器光电图像传感器 。Photoelectronic Imaging Devices 光光电电成成像像器器件件摄像型：摄像型：直视型：直视型：像像 管管变像管变像管像增强管像增强管电真空摄像管电真空摄像管固体摄像器件固体摄像器件摄像管摄像管理学院理学院 光电子与物理学

3、系光电子与物理学系第第0707章章 光电成像器件光电成像器件7.1 像管（变像管和像增强器）像管（变像管和像增强器）7.2 电真空摄像管电真空摄像管7.3 固体成像器件固体成像器件理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系7.1 像管（变像管和像增强器）像管（变像管和像增强器）像管基本结构原理像管基本结构原理变变 像像 管管像像 增增 强强 器器理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系三个基本部分：三个基本部分：光电变换部分光电变换部分电子光学部分电子光学部分 电光变换部分电光变换部分7.1 像管像管像管基本结构原理像管基本结构原理理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系1、光

4、电阴极、光电阴极7.1 像管像管像管基本结构原理像管基本结构原理2、电子光学系统、电子光学系统 静电系统、电磁复合系统静电系统、电磁复合系统3、荧光屏、荧光屏理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系1、光谱响应特性和光谱匹配因数、光谱响应特性和光谱匹配因数7.1 像管像管像管的主要特征参数像管的主要特征参数光谱匹配光谱匹配积分灵敏度积分灵敏度理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系2、增益特性、增益特性7.1 像管像管像管的主要特征参数像管的主要特征参数3、等效背景照度、等效背景照度理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系4、像管的成像特性、像管的成像特性1）放大率与畸变）放

5、大率与畸变2）分辨率）分辨率a.极限分辨率极限分辨率b.MTF7.1 像管像管像管的主要特征参数像管的主要特征参数变像管变像管变像管变像管 不可见光图像不可见光图像 可见光图像可见光图像红外夜视仪 7.1 像管像管理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系变像管变像管基本变像方法基本变像方法 直接变像直接变像（依光波长改变光电阴极材料）（依光波长改变光电阴极材料）近红外光像近红外光像紫外光像紫外光像 理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系变像管变像管基本变像方法基本变像方法红外光像红外光像波长大于波长大于 间接变像间接变像 （利用光电导技术）（利用光电导技术）变像管变像管基本变像方

6、法基本变像方法红外光像红外光像 14m 间接变像间接变像 （利用光电导技术）（利用光电导技术）红外光像红外光像 电势分布像电势分布像 电子流调制电子流调制 荧光屏成像荧光屏成像 理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系基本变像方法基本变像方法导通导通 截止截止 选通式变像管选通式变像管（导通和截止可控）（导通和截止可控）理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系基本变像方法基本变像方法 选通式变像管选通式变像管（导通和截止可控）（导通和截止可控）激光脉冲辐射图像激光脉冲辐射图像 控制栅电压波形控制栅电压波形 荧光屏图像荧光屏图像提高图像对比度提高图像对比度同步工作同步工作 理学院理学

7、院 光电子与物理学系光电子与物理学系基本变像方法基本变像方法 选通式变像管选通式变像管（导通和截止可控）（导通和截止可控）讨论：讨论：强光保护强光保护的可行性的可行性 导通导通 截止截止 理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系7.1 像管（变像管和像增强器）像管（变像管和像增强器）像管基本结构原理像管基本结构原理变变 像像 管管像像 增增 强强 器器理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系7.1 像管像管像增强器像增强器 亮度低图像亮度低图像 亮度高图像亮度高图像微光夜瞄镜 像增强器像增强器理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系像增强器像增强器1 1、级联式图像增强器、级

8、联式图像增强器 2 2、微通道板式图象增强器、微通道板式图象增强器三、变像管三、变像管理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系1 1、级联式图像增强器、级联式图像增强器三级级联像增强器结构示意图三级级联像增强器结构示意图 亮度增益可达亮度增益可达10105 5体积大、重量重、体积大、重量重、防强光防强光能力差。能力差。像增强器像增强器2 2、微通道板式图象增强器、微通道板式图象增强器结构原理：结构原理：像增强器像增强器Micro Channel Plate，简称，简称MCP 2 2、微通道板式图象增强器、微通道板式图象增强器像增强器像增强器Micro Channel Plate，简称，简

9、称MCP 优点：优点：设有电子光学系统，整管可以做得很短设有电子光学系统，整管可以做得很短 散焦：散焦：微管直径只有十几微米微管直径只有十几微米MCP光电倍增管光电倍增管 （多通道多通道）2 2、微通道板式图象增强器、微通道板式图象增强器像增强器像增强器用用PMT探测探测 生物超微弱发光生物超微弱发光 千个光子千个光子/Scm2 同步单光子技术探测系统结构简图同步单光子技术探测系统结构简图2 2、微通道板式图象增强器、微通道板式图象增强器像增强器像增强器用用MCP PMT探测探测 成像成像-同时获得有机体超微同时获得有机体超微弱发光强度的弱发光强度的时间和空间信息时间和空间信息超微弱发光图的探

10、测系统结构简图超微弱发光图的探测系统结构简图理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系 像管像管（变像管和像增强器）（变像管和像增强器）像像增增强强器器总结：总结：7.1 像管像管紫外光像紫外光像X射线像射线像红外光像红外光像微弱光像微弱光像（微通道板）（微通道板）光光敏敏面面荧荧光光屏屏可可见见光光像像目前技术状况：目前技术状况：第三代像增强器第三代像增强器 微通道板微通道板 负电子亲和势光电阴极负电子亲和势光电阴极 光度学灵敏度：光度学灵敏度：3000 A/lm辐射度学灵敏度：辐射度学灵敏度：100 mA/W（波长（波长0.85 m）亮度增益：亮度增益：1104 cd/(m2lx)分辨

11、率：分辨率：36 lp/mm2 2、微通道板式图象增强器、微通道板式图象增强器像增强器像增强器目前技术状况：目前技术状况：第四代像增强器第四代像增强器 在第三代像增强器的基础上，通过进一步改进微在第三代像增强器的基础上，通过进一步改进微通道板的性能，或者利用门控电源技术，提高像通道板的性能，或者利用门控电源技术，提高像增强器的分辨率、信噪比等性能参数。它们分别增强器的分辨率、信噪比等性能参数。它们分别属于超三代和第四代像增强器。属于超三代和第四代像增强器。2 2、微通道板式图象增强器、微通道板式图象增强器像增强器像增强器变像管和像增强器变像管和像增强器 在军事上的应用在军事上的应用1.主动主动

12、红外夜视仪红外夜视仪7.1 像管像管变像管和像增强器变像管和像增强器 在军事上的应用在军事上的应用2.微光夜视仪微光夜视仪 （105lx）7.1 像管像管微光图像亮度增强微光图像亮度增强夜天微光夜天微光目标像目标像像增强器像增强器 夜视仪荧光屏夜视仪荧光屏图象图象与普通电视屏幕与普通电视屏幕图像的亮度相当图像的亮度相当 增强约增强约 5 5万倍万倍10-5lx7.1 像管像管微光夜视仪微光夜视仪 目标目标光电阴极光电阴极 微光像增强管微光像增强管荧光屏荧光屏7.1 像管像管微光夜视器材微光夜视器材微光夜瞄镜微光夜瞄镜 7.1 像管像管手持式观察镜手持式观察镜微光夜视眼镜微光夜视眼镜微光夜视器材

13、微光夜视器材装有微光瞄准镜的装有微光瞄准镜的新毫米班用机枪新毫米班用机枪7.1 像管像管理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系微光夜视仪的观察效果微光夜视仪的观察效果可见的可见的目标图像目标图像不易见的不易见的目标图像目标图像7.1 像管像管 受强光照射时，屏幕图像出现面积较受强光照射时，屏幕图像出现面积较大的晕斑。大的晕斑。微光像增强技术的局限性微光像增强技术的局限性 有效作用距离较短（有效作用距离较短（300米）。米）。观测效果依赖夜天微光观测效果依赖夜天微光 “照明照明”，光光夜视仪不能在夜视仪不能在“全黑全黑”环境清晰成像。环境清晰成像。7.1 像管像管理学院理学院 光电子与物

14、理学系光电子与物理学系第第0707章章 光电成像器件光电成像器件夜视仪夜视仪输出图像信号：输出图像信号：直视型直视型光电成像器件光电成像器件理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系第第0707章章 光电成像器件光电成像器件输出视频信号：输出视频信号：摄像型摄像型光电成像器件光电成像器件摄像头摄像头理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系第第0707章章 光电成像器件光电成像器件摄像型：摄像型：直视型：直视型：变像管变像管像增强管像增强管电真空摄像管电真空摄像管固体摄像器件固体摄像器件随着半导体微电子集成电路技术发展，随着半导体微电子集成电路技术发展，CCD等典型等典型固体摄像器件固

15、体摄像器件逐步成为摄像器件领域的主流器件。逐步成为摄像器件领域的主流器件。理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系第第0707章章 光电成像器件光电成像器件7.1 像管（变像管和像增强器）像管（变像管和像增强器）7.2 电真空摄像管电真空摄像管7.3 固体成像器件固体成像器件摄像头摄像头7.2 电真空摄像管电真空摄像管二维光学图像二维光学图像一维时序电信号一维时序电信号还原二维光学图像还原二维光学图像例：电视监控系统例：电视监控系统传输和接收传输和接收规则规则电视电视制式制式按照按照电视制式电视制式输出的输出的一维时序电信号一维时序电信号称为称为视频信号视频信号摄像头摄像头摄像摄像是将空

16、间分布的是将空间分布的光学图像光学图像信号转换为一维信号转换为一维时间变化的时间变化的视频信号视频信号的过程，完成这一过程的的过程，完成这一过程的功能器件称为功能器件称为摄像器件摄像器件。7.2 电真空摄像管电真空摄像管理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系7.2 电真空摄像管电真空摄像管电视制式电视制式电真空摄像管的结构原理电真空摄像管的结构原理理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系7.2 电真空摄像管电真空摄像管电视制式电视制式1.扫扫 描描2.视频信号视频信号3.我国电视标准我国电视标准1.扫扫 描描光电图像光电图像 将光电图像分割为很多细小的单元，称为将光电图像分割为很

17、多细小的单元，称为像素像素电视制式电视制式图像的分图像的分割与象素割与象素1.扫扫 描描电信号电信号光电图像光电图像按一定规律按一定规律依次将图像中的每一像素的依次将图像中的每一像素的电（电荷）电（电荷）信号信号读出的过程，称为读出的过程，称为扫描扫描。图像的分图像的分割与象素割与象素电视制式电视制式一帧：一帧：一行一行扫描点从起始点出发再次回到该点，输出的全部图像信息称为一帧。1.扫扫 描描 行、帧行、帧电视制式电视制式隔行扫描方式隔行扫描方式逐行扫描方式逐行扫描方式1.扫扫 描描 两种扫描方式两种扫描方式电视制式电视制式逐行扫描方式逐行扫描方式根据视人眼觉时间特根据视人眼觉时间特性，性，无

18、闪烁无闪烁显示活动显示活动图象要高于图象要高于4848次次/秒秒刷新速率刷新速率 帧频：帧频：50Hz 行数：行数：625行频：行频：降低行频降低行频闪烁感？闪烁感？隔行扫描方式隔行扫描方式1.扫扫 描描 两种扫描方式两种扫描方式电视制式电视制式隔行扫描方式隔行扫描方式一帧分为两场一帧分为两场奇数场奇数场偶数场偶数场135246电视制式电视制式隔行扫描方式隔行扫描方式根据视觉时间特性，无闪烁地显示活根据视觉时间特性，无闪烁地显示活动图象要高于动图象要高于4848次次/秒秒的刷新速率的刷新速率 场频：场频：50Hz 50Hz帧频：帧频：25Hz25Hz 无闪烁无闪烁降低行频降低行频电视制式电视制

19、式隔行扫描方式隔行扫描方式逐行扫描方式逐行扫描方式高清晰成像测量系统高清晰成像测量系统工业民用电视系统工业民用电视系统1.扫扫 描描 两种扫描方式两种扫描方式电视制式电视制式正程和逆程正程和逆程行正程行正程场正程场正程 显显 示示信信 息息行逆程行逆程 场逆程场逆程 消消 隐隐1.扫扫 描描电视制式电视制式2.视频信号视频信号行正程行正程（信息信息）行逆程（行逆程（消隐消隐）行信号波形行信号波形一行一行 视频信号视频信号行同步行同步电视制式电视制式2.视频信号视频信号场正程（场正程（信息信息）场逆程（场逆程（消隐消隐）场信号波形场信号波形一场一场 视频信号视频信号场同步场同步电视制式电视制式3

20、.3.我国电视标准我国电视标准 我国电视标准采用我国电视标准采用PAL制：制：场频场频fv=50Hz，帧频，帧频fZ=25Hz；隔行扫描，每帧隔行扫描，每帧625行；行；场周期场周期TV=20ms；行周期行周期TH=64 s；视频信号带宽视频信号带宽BW=6MHzPAL德国德国NTSC美国美国电视制式电视制式7.2 电真空摄像管电真空摄像管一、电视制式一、电视制式小结小结1.扫扫 描描3.3.我国电视标准我国电视标准 隔行扫描隔行扫描场频场频50Hz 逐行扫描逐行扫描 隔行扫描隔行扫描行行 帧帧 场场 625行行/帧帧正程正程 逆程逆程PAL制制2.2.视频信号视频信号 信息信号信息信号同步脉

21、冲同步脉冲消隐脉冲消隐脉冲理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系7.2 电真空摄像管电真空摄像管电视制式电视制式电真空摄像管的结构原理电真空摄像管的结构原理7.2.2 电真空摄像管结构原理电真空摄像管结构原理光电转换光电转换信号存储信号存储扫描输出扫描输出光电导式光电导式/热释电摄像管热释电摄像管 1.三个基本功能三个基本功能7.2 电真空摄像管电真空摄像管光像光像电子枪电子枪利用电子枪发射出来的利用电子枪发射出来的电子束依次扫描电子束依次扫描靶面各像素，靶面各像素，将靶面的将靶面的电荷（或电势）图像电荷（或电势）图像有序地转变成有序地转变成视频信视频信号号输出，这就完成了扫描输出的功

22、能。输出，这就完成了扫描输出的功能。加速加速电极电极聚焦聚焦电极电极聚焦聚焦线圈线圈偏转偏转线圈线圈灯丝灯丝热阴极热阴极控制栅极控制栅极 扫描输出扫描输出2.电子束电子束扫描输出扫描输出7.2.2 7.2.2 电真空摄像管结构原理电真空摄像管结构原理2.电子束电子束扫描输出扫描输出水平偏转线圈水平偏转线圈 垂直偏转线圈垂直偏转线圈 行扫描行扫描 场扫描场扫描 消隐脉冲消隐脉冲控制栅极控制栅极逆程电子束逆程电子束截止截止7.2.2 7.2.2 电真空摄像管结构原理电真空摄像管结构原理2.电子束电子束扫描输出扫描输出灯丝灯丝热阴极热阴极控制栅极控制栅极加速电极加速电极聚焦电极聚焦电极聚焦线圈聚焦线

23、圈偏转线圈偏转线圈 电真空摄像管由于其电真空摄像管由于其重量重量和和体积体积的限制，其研的限制，其研究与发展已经告一段落，它正逐步被究与发展已经告一段落，它正逐步被固体摄像器件固体摄像器件所代替。所代替。7.2.2 7.2.2 电真空摄像管结构原理电真空摄像管结构原理理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系第第0707章章 光电成像器件光电成像器件7.1 7.1 像管（变像管和像增强器）像管（变像管和像增强器）7.2 7.2 电真空摄像管电真空摄像管7.3 7.3 固体成像器件固体成像器件理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系7.3 7.3 固体成像器件固体成像器件CCD摄像器件

24、摄像器件CMOS图像传感器图像传感器体积小，重量轻，工作电压和功耗都很低；耐冲体积小，重量轻，工作电压和功耗都很低；耐冲击性能好，可靠性高，寿命长，击性能好，可靠性高，寿命长，理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系7.3 7.3 固体成像器件固体成像器件Willard S.Boyle George Elwood Smith理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系7.3 7.3 固体成像器件固体成像器件理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系7.3 7.3 固体成像器件固体成像器件7.3.1 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD 器件）器件）7.3.2 CMOS图像传感器图像传

25、感器7.3.3 红外焦平面阵列器件（红外焦平面阵列器件（IRFPA）理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系7.3.1 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD 器件）器件）Charge Coupled Device 简称简称CCD1.CCD的结构与工作原理的结构与工作原理2.CCD的主要特性参数的主要特性参数3.CCD摄像器件摄像器件理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系CCD电荷存储电荷存储电荷转移电荷转移电荷注入电荷注入电荷输出电荷输出7.3.1 电荷耦合器件电荷耦合器件1.CCD的结构与工作原理的结构与工作原理理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系7.3.1 电荷耦合器

26、件电荷耦合器件1.CCD的结构与工作原理的结构与工作原理1.CCD的结构与工作原理的结构与工作原理1)CCD单元结构单元结构由多个像素组成由多个像素组成线线阵阵,金属栅极是金属栅极是分立分立的，氧化物与半导的，氧化物与半导体是体是连续连续的的PMOS结构结构单元单元像素像素基本名词：基本名词：势势 阱阱 1.CCD单元结构单元结构 势势 阱阱 施加正电压施加正电压 空穴耗尽区空穴耗尽区 电子的电子的“陷阱陷阱”基本名词：基本名词：势势 阱阱 栅极正向电压增加栅极正向电压增加时，势阱变深。时，势阱变深。改变改变UG，调调节节势阱深度势阱深度1.CCD的结构与工作原理的结构与工作原理2)2)电荷包

27、的注入电荷包的注入 （光注入、电注入）（光注入、电注入）光注入：光注入：电子电子 信号电荷（包）信号电荷（包）产生电子空穴对产生电子空穴对空穴空穴 栅极电压排斥栅极电压排斥1.CCD的结构与工作原理的结构与工作原理理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系2)2)电荷包的注入电荷包的注入 （光注入、电注入）（光注入、电注入）光注入：光注入：产生电子空穴对产生电子空穴对1.CCD的结构与工作原理的结构与工作原理正面、背面正面、背面SiliconDioxideThinnedSiliconSiliconIncomingLightIncomingLightPolysiliconGateFront

28、BackSilicon3)3)电荷包的存储电荷包的存储存储电荷P单元最大存储信息电荷量：单元最大存储信息电荷量：1.CCD的结构与工作原理的结构与工作原理4)4)电荷包的转移电荷包的转移三相三相时钟脉冲电压按组时钟脉冲电压按组（相相）加到）加到CCD各电极上各电极上 1.CCD的结构与工作原理的结构与工作原理4)4)电荷包的转移电荷包的转移 基本思想：基本思想：调节调节势阱深度势阱深度 利用利用势阱耦合势阱耦合势阱耦合势阱耦合1.CCD的结构与工作原理的结构与工作原理L3Vision TechnologyHow the gain process worksThe charge multipli

29、cation elements CCD FundamentalsCCD FundamentalsCCD FundamentalsCCD FundamentalsSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayFull FrameCCD FundamentalsSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayCCD FundamentalsSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayCCD FundamentalsSerial Regis

30、terPreamplifierOutput NodeActive ArrayADCCCD FundamentalsSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayCCD FundamentalsSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayADCCCD FundamentalsSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayCCD FundamentalsADCSerial RegisterPreamplifierOutput NodeA

31、ctive ArrayCCD FundamentalsSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayCCD FundamentalsADCSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayCCD FundamentalsSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayCCD Fundamentals5)5)电荷包的输出电荷包的输出 电流输出方式电流输出方式 ：衬底衬底P P和和N N+区构成区构成输出二极管输出二极管（反偏压）（反偏压）反偏

32、二极管反偏二极管1.CCD的结构与工作原理的结构与工作原理5)5)电荷包的输出电荷包的输出 电流输出方式电流输出方式 ：衬底衬底P P和和N N+区构成区构成输出二极管输出二极管（反偏压）（反偏压）复位脉冲复位脉冲RS 102V5V1.CCD的结构与工作原理的结构与工作原理理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系CCD电荷存储电荷存储电荷转移电荷转移电荷注入电荷注入电荷输出电荷输出7.3.1 电荷耦合器件电荷耦合器件1.CCD的结构与工作原理的结构与工作原理小小 结：结：理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系7.3.1 电荷耦合器件电荷耦合器件1.CCD的结构与工作原理的结构与工

33、作原理为什么称为为什么称为电荷电荷耦合耦合器件？器件？电荷电荷器件中的信息是以器件中的信息是以电荷电荷形式出现形式出现的，不同于其他探测器的的，不同于其他探测器的“电流电流”或或“电压电压”耦合耦合器件内部信息的传递是通过势阱器件内部信息的传递是通过势阱的的藕合藕合完成的，完全不同于电子枪的完成的，完全不同于电子枪的“扫描扫描输出输出”形式形式理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系7.3.1 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD 器件）器件）Charge Coupled Devie 简称简称CCD1.CCD的结构与工作原理的结构与工作原理2.CCD的特性参数的特性参数3.CCD摄像器件摄

34、像器件理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系7.3.1 电荷耦合器件电荷耦合器件2.CCD的主要特性参数的主要特性参数1.转移效率，损耗率转移效率，损耗率2.暗电流暗电流3.灵敏度和量子效率灵敏度和量子效率4.光谱响应特性光谱响应特性5.CCD噪声噪声6.分辨率分辨率7.工作频率工作频率8.动态范围动态范围7.3.1 电荷耦合器件电荷耦合器件2.CCD的特性参数的特性参数1)转移效率，损耗率转移效率，损耗率 总总=n 例：例：，二相，二相1024器件，器件，总总 电电 荷荷成像区成像区 暂存区暂存区 场正程场正程电荷平移电荷平移输出信号输出信号 CCD摄像器件摄像器件扫描输出扫描输出的

35、特点的特点CCD摄像管摄像管 微电子电路微电子电路按规律发出按规律发出脉冲脉冲扫描输出电信号扫描输出电信号微微电电子子电电路路脉脉冲冲信信号号光敏区光敏区暂存区暂存区输出端输出端3.CCD摄像器件摄像器件 自 扫 描电真空摄像器件电真空摄像器件扫描输出扫描输出的特点的特点电真空摄像管电真空摄像管 电子枪电子枪按规律偏转按规律偏转电子束电子束扫描输出电信号扫描输出电信号电子枪电子枪3.CCD摄像器件摄像器件对比：二者对比：二者扫描方式扫描方式的差别的差别CCD摄像管摄像管 微电子电路微电子电路按规律发出按规律发出脉冲脉冲扫描输出电信号扫描输出电信号电真空摄像管电真空摄像管 电子枪电子枪按规律偏转

36、按规律偏转电子束电子束扫描输出电信号扫描输出电信号3.CCD摄像器件摄像器件 电真空摄像管由于其电真空摄像管由于其重量重量和和体积体积的限制，其研的限制，其研究与发展已经告一段落，它正逐步被究与发展已经告一段落，它正逐步被固体摄像器件固体摄像器件所代替。所代替。理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系4)微光微光CCD摄像器件摄像器件 分类：分类：1 1、像增强器与、像增强器与CCDCCD耦合耦合2 2、电子轰击型、电子轰击型CCDCCD（EBCCDEBCCD）3 3、电子倍增、电子倍增CCDCCD（EMCCDEMCCD）3.CCD摄像器件摄像器件用于成像用于成像CCD微光电视摄像微光电

37、视摄像3.CCD摄像器件摄像器件像增强器与CCD芯片的耦合（光学耦合）CCD芯片芯片例例1：CCD微光电视摄像微光电视摄像3.CCD摄像器件摄像器件例例2：用于测量：用于测量CCD玻璃管测控仪玻璃管测控仪（生产线）（生产线）测量尺寸及精度要求：测量尺寸及精度要求：外径、外径、壁厚（）壁厚（）mm、（）、（）mm3.CCD摄像器件摄像器件光强均匀的平行光束 照射玻璃管 线阵CCD输出信号波形 电视型成像器件电视型成像器件小结：小结：1.电视制式：电视制式：扫描、行、帧、场扫描、行、帧、场3.CCD成像器件：成像器件：单元结构、转移、自扫描单元结构、转移、自扫描2.电真空摄像管：电真空摄像管：电子

38、枪、扫描电子枪、扫描4.CMOS图像传感器图像传感器5.IRFPA阵列器件阵列器件理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系7.3 固体成像器件固体成像器件7.3.1 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD 器件）器件）7.3.2 CMOS图像传感器图像传感器7.3.3 红外焦平面阵列器件（红外焦平面阵列器件（IRFPA）7.3.2 CMOS图像传感器图像传感器Complementary Metal Oxide Semiconductor 简称简称 CMOS特点：成品率高、价格低廉，像质量？特点：成品率高、价格低廉，像质量？CMOS数码相机数码相机成像器件结构成像器件结构:信号读出信号读出采用

39、采用XY寻址方式寻址方式，具有具有读出任意局部画面读出任意局部画面的能力的能力 7.3.2 CMOS图像传感器图像传感器成像器件原理成像器件原理:信号读出信号读出采用采用XY寻址方式寻址方式，具有具有读出任意局部画面读出任意局部画面的能力的能力 7.3.2 CMOS图像传感器图像传感器成像器件单元结构成像器件单元结构:被动像敏单元结构被动像敏单元结构 主动像敏单元结构主动像敏单元结构 像敏单元像敏单元选址模拟开关选址模拟开关 压降压降暗电流暗电流附加噪声附加噪声7.3.2 CMOS图像传感器图像传感器成像器件与成像器件与CCD成像器件成像器件:最大差异：最大差异：单元结构（带放大器）单元结构（

40、带放大器）信号寻址读出与信号顺序读出信号寻址读出与信号顺序读出应用差异：应用差异：CCD低噪声、高分辨率、高灵敏度等高画质性能低噪声、高分辨率、高灵敏度等高画质性能占据图像传感器占据图像传感器高端市场高端市场；CMOS 高集成度、高速、小体积、低价格等特点高集成度、高速、小体积、低价格等特点占据占据低端市场低端市场大的份额。大的份额。7.3.2 CMOS图像传感器图像传感器理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系7.3 固体成像器件固体成像器件7.3.1 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD 器件）器件）7.3.2 CMOS图像传感器图像传感器7.3.3 红外焦平面阵列器件（红外焦平面阵列

41、器件（IRFPA）7.3.3 红外焦平面器件红外焦平面器件uIRFPA技术的来由技术的来由u常用光波波段常用光波波段u主要用途主要用途 Infrared-Ray Focus Plane Array -简称简称IRFPA技术的来由技术的来由成像系统成像系统物空间和像空间的对应关系物空间和像空间的对应关系1 1：物物平平面面；2 2：单单元元探探测测器器在在物物空空间间的的投投影影；3 3：聚聚焦焦系系统统；4 4：像像平平面面；5 5：单单元元探探测测器器；6 6：线线阵阵探探测测器在物空间的投影；器在物空间的投影；7 7：线阵探测器：线阵探测器12354677.3.3 红外焦平面器件红外焦平面

42、器件早期红外成象系统：早期红外成象系统：二维图象光学机械扫描电路处理图象再现单元红外探测器二维图象电路处理图象再现红外探测器面阵+CCDIRFPA成像系统：没有机械和光电扫描装置没有机械和光电扫描装置-“-“凝视型凝视型”7.3.3 红外焦平面器件红外焦平面器件技术的来由技术的来由“凝视型凝视型”热成像摄像机热成像摄像机摄像机核心部件：摄像机核心部件：红外探测器阵列红外探测器阵列 SiSiCCDCCD面阵面阵7.3.3 红外焦平面器件红外焦平面器件7.3.3 红外焦平面器件红外焦平面器件的结构的结构红外探测器阵列红外探测器阵列 Si SiCCDCCD面阵面阵目前常用和比较成熟的技术目前常用和比

43、较成熟的技术 常用光波波段常用光波波段1-3微米微米 InGaAs3-5微米微米 PtSi,InSb8-14微米微米 HgCdTe在常用大气窗口波段在常用大气窗口波段分别由下列材料构成光电探测器面阵：分别由下列材料构成光电探测器面阵：7.3.3 红外焦平面器件红外焦平面器件的发展现状的发展现状 光子类探测器光子类探测器IRFPA：灵敏度较高，制冷，灵敏度较高，制冷，价格低价格低 近红外与中红外的近红外与中红外的19681968硅肖特基势垒硅肖特基势垒IRFPA，像元，像元1717m2（640480，812m）的）的HgCdTe探测器探测器 IRFPA 光热类探测器光热类探测器IRFPA：灵敏度

44、较低，非制冷，灵敏度较低，非制冷，价格低价格低 328245的铌酸锶钡（的铌酸锶钡（SBN）热释电探测器）热释电探测器RFPA，像元，像元2828m2。7.3.3 红外焦平面器件红外焦平面器件的应用的应用 7.3.3 红外焦平面器件红外焦平面器件主要用途：主要用途：地球资源探测、红外成象、跟踪、制导等地球资源探测、红外成象、跟踪、制导等变压器的热图变压器的热图 隐藏在草丛中的人的热图隐藏在草丛中的人的热图 本章小结本章小结1、光电成像器件输出图像信息的器件：、光电成像器件输出图像信息的器件：直视型、摄像型直视型、摄像型2、像管、像管 变像管和像增强器变像管和像增强器 微通道板像增强器微通道板像增强器3、电真空摄像管、电真空摄像管 光学图像转换为视频信号光学图像转换为视频信号4、固体摄像器件、固体摄像器件CCD、CMOS和和IRFPA.自扫描技术自扫描技术随着半导体及集成电路工艺的发展，随着半导体及集成电路工艺的发展，CCD、CMOS等固体摄像器件凭借其多种优越性而逐步成为摄像等固体摄像器件凭借其多种优越性而逐步成为摄像器件应用领域中的器件应用领域中的主流器件主流器件。